雅特力AT32高性能MCU,驱动电机控制应用发展与创新

      在世界环保趋势与工业自动化浪潮下,家电、商务、工业与医疗等领域纷纷开始“技术变革”,高效能电机驱动技术逐渐翻新传统的各种驱动应用。

      高效能电机驱动系统搭载高性能驱动器,取代了低效率且低效能的传统电机,包括许多内燃驱动产品也纷纷电动化,采用电机驱动形式。在电机驱动系统性能优化上,除了电机本身特性外,驱动器对于整体系统优劣具有决定性的影响,MCU作为驱动器的控制核心,成了高性能驱动器设计的关键。

      雅特力科技AT32工业级MCU使用高性能具浮点运算指令的ARM® Cortex®-M4F内核,工作频率高达288MHz、512k bytes零等待(Zero wait-state) Flash、3个12-bit 5.33Msps ADC、32-bit分辨率的计数/捕捉定时器、专利芯片代码防护机制,以及超具竞争力的价格优势,特别适用于电机驱控应用,以下将详细介绍AT32 MCU优异的性能特点及在电机控制应用上的优势。

雅特力AT32高性能MCU,驱动电机控制应用发展与创新

图1 AT32 M4/M0+ MCU FAMILY

      一、具浮点运算指令ARM® Cortex®-M4F内核

      在电机矢量控制的应用中,需要快速而精确的计算能力,如电压/电流矢量的坐标转换、位置速度电流控制,以及在sensorless控制时的转子磁极位置估测等等。AT32 MCU Cortex-M4F核心浮点运算可轻易实现这些算法,并具备高速运算与提高运算精度的能力。

      二、288MHz高速主频

      天下武功,唯快不破。AT32 MCU工作主频高达288MHz,领先业界其它同级MCU,搭配Cortex-M4F核心运算,具有快速高效的算法能力。特别是在伺服控制应用中,需要高频取样率的快速电流/速度/位置等控制回路计算,AT32 MCU都能轻松胜任游刃有余,并可保留MCU执行余裕提供其它辅助功能程序运作,例如通讯功能等等。

      高速时钟频率同时也让脉波宽度调变PWM体现出高分辨率的优势,由于驱动器藉由脉波宽度调变输出脉波电压,以改变电机电流,故PWM分辨率决定了控制电机电压振幅的能力,而PWM频率越高则可提高电压相位的控制解析,并减少电机电流涟波,图2的示意图说明了PWM信号的分辨率和频率对电流的影响。但在相同频率下,PWM分辨率越高则PWM频率越低,因为两者的乘积是对比于系统频率,故高时钟频率可同时兼顾PWM分辨率与频率,特别是在数十万转的电机驱动应用上,因电机转速快电流频率高、电机线圈电感小,需要提供高频、高解析的PWM电压,方能使电机高效稳定运转。

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图2 PWM信号产生与切换电流的关系

      三、零等待Flash

      高主频MCU运算速度虽快,但若无高速存储器配合,整体执行效能会受限于Flash指令撷取速度,虽可将关键程序区段搬移至SRAM,但却会减少可运用的SRAM空间,且增加程序复杂度。AT32 MCU内建Flash弹性映射功能,如图3所示,MCU于启动时,自动将映射区域的Flash资料搬移至ZW(zero wait-state)记忆区块,最高可使用达512k byte零等待Flash。藉由Cortex-M4F内核、288MHz高主频与零等待Flash三者的完美配合,发挥MCU极致执行效能。此外针对高性价比的MCU系列,虽未设计零等待Flash,但雅特力科技特别优化其pre-fetch与catch buffer架构与运作机制,以确保在绝大部分执行状况下,等同于零等待Flash的执行效能。

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图3 零等待Flash映射区块示意图

      四、高速12-bit ADC

      在电机控制应用中,必须实时感测电机的电流状态,以进行高速电流环控制运算,特别是在单电阻电流取样时,须在极短时间内(<1us)读取电流回授信号以避开噪声,如图4所示,以及在sensorless控制应用,还需要实时感测DC BUS电压或电机端电压,因此需要高速ADC外围支持。此外为精确获取高解析的电流与电压信息,12-bit ADC是兼顾解析与成本的合理选择。AT32 MCU具备取样速率达5.33MHz的12-bit ADC,并拥有24个外部通道设计,足可提供电机控制相关的信号取样需求。

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图4 单电阻电流取样示意图

      五、32-bit分辨率的计数/捕捉定时器

      在伺服控制器应用中,为了满足宽广的高低速控制比例,以及精确的速度与定位控制,使用20-bit以上高解析编码器是很常见的,因此MCU需要具有编码器信号4倍频功能的32-bit定时器。此外在使用霍尔元件感测转子位置的低成本应用上,在顾及低速的运转条件下,受限于16-bit捕捉定时器的计数范围,必须将定时器计时的频率适当除频,但如此一来便牺牲了电机高速时的速度分辨率。有鉴于此,AT32 MCU设计了两组32-bit分辨率的计数/捕捉定时器,可满足高阶伺服控制器与低成本驱动器的应用需求。

      六、三组高级定时器

      用于输出三相互补PWM信号的高级定时器,是MCU在电机控制应用中不可或缺的单元。AT32 MCU设计了三组16-bit分辨率的高级定时器,搭配MCU的快速运算能力与ADC快速取样,可轻松实现三轴电机控制系统。

      七、通讯外围支援

      由于电机驱动广泛应用于各种专业与生活领域,为满足不同产品的通讯需求,其通讯界面也十分多样。AT32 MCU内建多组UART、CAN、I2C、SPI与USB界面,可满足大部分的产品通讯需求。其中AT32WB415系列更有采用低功耗(BLE)蓝牙5.0,集成蓝牙射频(RF)收发器与基带(baseband)功能所组成的无线通讯型MCU,为各种物联网应用提供最佳方案。

      八、弹性DMA通道映射

      电机驱动器所使用的MCU外围众多,又常需要进行实时处理,运用DMA通道进行特定位置资料的实时更新是常用的办法,然而因MCU外围使用较多,无可避免会遇到DMA通道冲突的窘境,因此AT32 MCU设计了DMA通道弹性映射功能,让DMA的通道配置更加灵活,可以将某外围的DMA请求通道指定到三个DMA控制器共22个通道中的任意一个通道,大大提升了应用弹性与便利性。

      九、专利芯片代码防护机制

      AT32 MCU具有多重的芯片安全防护措施,包含绝对性的读保护(RDP)、随机数Flash烧录,以及雅特力自行研发的sLib(security library)功能,可指定范围以密码保护特定程序区,例如上游方案商将核心算法保护后,可提供给下游客户做二次程序开发。对于外部扩展SPI NOR Flash通过MCU烧录此外扩Flash时,该区段程序与资料会被芯片内部硬件打乱数值加密,对MCU代码做了全面性防护。

      除了MCU性能与功能的考量外,价格也是MCU选型重要因素之一,AT32 MCU具有极强的价格竞争力,全系列采用Cortex®-M4和M0+内核,其中部分M4内核产品价格可媲美M0+ MCU,为客户设计出高性价比且优质的电机驱动产品提供了可能性。

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